Laboratorium Sensorów i Pomiarów Wielkości Nieelektrycznych. Ćwiczenie. Czujniki pól magnetycznych. Badanie czujnika indukcyjnego i hallotronu



Podobne dokumenty
Ćwiczenie 5 Badanie sensorów pola magnetycznego na przykładzie magnetorezystora AMR

Miernictwo - W10 - dr Adam Polak Notatki: Marcin Chwedziak. Miernictwo I. dr Adam Polak WYKŁAD 10

PRZYRZĄDY POMIAROWE. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

WYDZIAŁ PPT / KATEDRA INŻYNIERII BIOMEDYCZNE D-1 LABORATORIUM Z MIERNICTWA I AUTOMATYKI Ćwiczenie nr 14. Pomiary przemieszczeń liniowych

Badanie rozkładu pola magnetycznego przewodników z prądem

(zwane również sensorami)

Piezorezystancyjny czujnik ciśnienia: pomiar i wyznaczenie parametrów metrologicznych czujnika i przetwornika ciśnienia

WAT - WYDZIAŁ ELEKTRONIKI INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH. Przedmiot: CZUJNIKI I PRZETWORNIKI Ćwiczenie nr 1 PROTOKÓŁ / SPRAWOZDANIE

Lista i program ćwiczeń: 1. Badanie sensorów przemieszczeń liniowych na przykładzie sensora LVDT

Czujniki. Czujniki służą do przetwarzania interesującej nas wielkości fizycznej na wielkość elektryczną łatwą do pomiaru. Najczęściej spotykane są

Wybrane elementy elektroniczne. Rezystory NTC. Rezystory NTC

Podstawy mechatroniki 5. Sensory II

MOMENT MAGNETYCZNY W POLU MAGNETYCZNYM

Badziak Zbigniew Kl. III te. Temat: Budowa, zasada działania oraz rodzaje mierników analogowych i cyfrowych.

Ć wiczenie 2 POMIARY REZYSTANCJI, INDUKCYJNOŚCI I POJEMNOŚCI

( L ) I. Zagadnienia. II. Zadania

3.5 Wyznaczanie stosunku e/m(e22)

LABORATORIUM PODSTAW METROLOGII M-T Ćwiczenie nr 5 BADANIE CZUJNIKÓW CIŚNIENIA.

Miernictwo I INF Wykład 13 dr Adam Polak

Wyznaczanie stosunku e/m elektronu

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

X L = jωl. Impedancja Z cewki przy danej częstotliwości jest wartością zespoloną

Efekt Halla. Cel ćwiczenia. Wstęp. Celem ćwiczenia jest zbadanie efektu Halla. Siła Loretza

Podstawy Badań Eksperymentalnych

( F ) I. Zagadnienia. II. Zadania

LABORATORIUM POMIARÓW WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH. Pomiary statycznych parametrów indukcyjnościowych przetworników przemieszczenia liniowego

Ćwiczenie: "Silnik prądu stałego"

Narzędzia pomiarowe Wzorce Parametrami wzorca są:

Statyczne badanie wzmacniacza operacyjnego - ćwiczenie 7

Mechatronika i inteligentne systemy produkcyjne. Sensory (czujniki)

Ćwiczenie nr 43: HALOTRON

Badanie własności hallotronu, wyznaczenie stałej Halla (E2)

Stanowisko do badania zjawiska tłumienia światła w ośrodkach materialnych

Temat: POMIAR SIŁ SKRAWANIA

Lekcja 69. Budowa przyrządów pomiarowych.

Wyznaczanie przenikalności magnetycznej i krzywej histerezy

Laboratorium Elektroniczna aparatura Medyczna

LABORATORIUM PODSTAW ELEKTROTECHNIKI Badanie transformatora jednofazowego

Ćwiczenie nr.14. Pomiar mocy biernej prądu trójfazowego. Q=UIsinϕ (1)

Mostek Wheatstone a, Maxwella, Sauty ego-wiena. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Ćwiczenie: "Pomiary rezystancji przy prądzie stałym"

POMIARY TEMPERATURY I

Wyznaczanie momentu magnetycznego obwodu w polu magnetycznym

Wyznaczanie przenikalności magnetycznej i krzywej histerezy

Ćwiczenie 3 WPŁYW NASŁONECZNIENIA I TECHNOLOGII PRODUKCJI KRZEMOWYCH OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH NA ICH WŁASNOŚCI EKSPLOATACYJNE

3. Przebieg ćwiczenia I. Porównanie wskazań woltomierza wzorcowego ze wskazaniami woltomierza badanego.

Lekcja 59. Histereza magnetyczna

ĆWICZENIE 15 BADANIE WZMACNIACZY MOCY MAŁEJ CZĘSTOTLIWOŚCI

LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

I. Pomiary charakterystyk głośników

POLITECHNIKA WARSZAWSKA Wydział Elektryczny Zakład Systemów Informacyjno-Pomiarowych

WZORCOWANIE URZĄDZEŃ DO SPRAWDZANIA LICZNIKÓW ENERGII ELEKTRYCZNEJ PRĄDU PRZEMIENNEGO

Ziemskie pole magnetyczne

PRZETWORNIKI CIŚNIENIA. ( )

Pomiary Elektryczne Wielkości Nieelektrycznych Ćw. 7

ĆWICZENIE nr 5. Pomiary rezystancji, pojemności, indukcyjności, impedancji

F = e(v B) (2) F = evb (3)

Ćwiczenie 4 WYZNACZANIE INDUKCYJNOŚCI WŁASNEJ I WZAJEMNEJ

PRZETWORNIKI POMIAROWE

Badanie ugięcia belki

Parametry częstotliwościowe przetworników prądowych wykonanych w technologii PCB 1 HDI 2

Pomiar przemieszczeń i prędkości liniowych i kątowych

SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY

Katedra Elektroniki ZSTi. Lekcja 12. Rodzaje mierników elektrycznych. Pomiary napięći prądów

WIROWYCH. Ćwiczenie: ĆWICZENIE BADANIE PRĄDÓW ZAKŁ AD ELEKTROENERGETYKI. Opracował: mgr inż. Edward SKIEPKO. Warszawa 2000

Ćwiczenie 6 BADANIE STABILNOŚCI TEMPERATUROWEJ KONDENSATORÓW I CEWEK. Laboratorium Inżynierii Materiałowej

Wyznaczenie reakcji belki statycznie niewyznaczalnej

Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 2 str. 1/7 ĆWICZENIE 2

PL B1. Urządzenie do badania nieciągłości struktury detali ferromagnetycznych na małej przestrzeni badawczej. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL

Systemy pomiarowe. Ćwiczenie Nr 4 BADANIE WŁAŚCIWOŚCI PRZETWORNIKA INDUKCYJNOŚCIOWEGO TRANSFORMATOROWEGO

Elementy oporowe tensometryczne

POMIARY CHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWEJ IMPEDANCJI ELEMENTÓW R L C

POMIARY BEZPOŚREDNIE I POŚREDNIE PODSTAWOWYCH WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH

Obwody sprzężone magnetycznie.

Ćwiczenie 9. Mostki prądu stałego. Zakres wymaganych wiadomości do kolokwium wstępnego: Program ćwiczenia:

BADANIE AMPEROMIERZA

6. Zjawisko Halla w metalach

The use of magnetoresistive sensor for measuring magnetic fields. Zastosowanie czujnika magnetorezystancyjnego do pomiaru pól magnetycznych.

Przyrządy i przetworniki pomiarowe

GALWANOMETR UNIWERSALNY V 5-99

Metody mostkowe. Mostek Wheatstone a, Maxwella, Sauty ego-wiena

Linearyzatory czujników temperatury

BADANIE UKŁADÓW CYFROWYCH. CEL: Celem ćwiczenia jest poznanie właściwości statycznych układów cyfrowych serii TTL. PRZEBIEG ĆWICZENIA

Pomiar indukcyjności.

Ćw. 18: Pomiary wielkości nieelektrycznych II

Badanie transformatora

PL B1. Sposób i układ do wykrywania zwarć blach w stojanach maszyn elektrycznych prądu zmiennego

Ćwiczenie 5 BADANIE PRZENIKALNOŚCI MATERIAŁÓW FERROMAGNETYCZNYCH. Laboratorium Inżynierii Materiałowej

Pomiar podstawowych wielkości elektrycznych

ĆWICZENIE 6 POMIARY REZYSTANCJI

Wyznaczanie momentu magnetycznego obwodu w polu magnetycznym

BADANIE EFEKTU HALLA. Instrukcja wykonawcza

BEZDOTYKOWY CZUJNIK ULTRADŹWIĘKOWY POŁOŻENIA LINIOWEGO

Komputerowe wspomaganie projektowania stanowiska badawczego

Ćwiczenie nr 3 OBWODY LINIOWE PRĄDU SINUSOIDALNEGO

Ćwiczenie 14. Sprawdzanie przyrządów analogowych i cyfrowych. Program ćwiczenia:

Ćwiczenie 2 WSPÓŁPRACA JEDNAKOWYCH OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH W RÓŻNYCH KONFIGURACJACH POŁĄCZEŃ. Opis stanowiska pomiarowego. Przebieg ćwiczenia

Ćwiczenie 4 Badanie wpływu napięcia na prąd. Wyznaczanie charakterystyk prądowo-napięciowych elementów pasywnych... 68

SENSORY W BUDOWIE MASZYN I POJAZDÓW

Politechnika Białostocka

Transkrypt:

Ćwiczenie Czujniki pól magnetycznych. Badanie czujnika indukcyjnego i hallotronu Instrukcja laboratoryjna Człowiek - najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Warszawa 2010

2 Ćwiczenie Czujniki pól magnetycznych. Badanie czujnika Czujniki pól magnetycznych. Badanie czujnika indukcyjnego i hallotronu Opracował: prof. nzw. dr hab. inż. Roman Szewczyk, dr inż. Jacek Salach 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się budową i właściwościami nowoczesnych, magnetorezystancyjnych sensorów do pomiaru pola magnetycznego oraz z urządzeniami do wytwarzania wzorcowego pola magnetycznego cewkami Helmholtza. Ćwiczenie obejmuje także zapoznanie się z budową i właściwościami użytkowymi sensorów magnetosprężystych przeznaczonych do pomiaru znacznych sił ściskających w warunkach przemysłowych. 2. Wprowadzenie 2.1. Sensory magnetorezystancyjne do pomiaru słabych pól magnetycznych Do pomiarów parametrów pola magnetycznego najczęściej wykorzystuje się następujące typy przetworników: przetworniki hallotronowe. przetworniki magnetorezystancyjne. przetworniki transduktorowe. przetworniki wykorzystujące zjawisko rezonansu magnetycznego. przetworniki induktorowe. przetworniki typu SQUID. Na rysunku 1 zestawiono zakresy pomiarowe najczęściej stosowanych sensorów pola magnetycznego.

Czujniki pól magnetycznych. Badanie czujnika Ćwiczenie 3 Rys. 1. Zakresy pomiarowe przetworników do pomiaru parametrów pola magnetycznego [1]. Przetworniki magnetorezystancyjne, zwane także gaussotronami, wykorzystują zjawisko polegające na wzroście rezystancji właściwej cienkiej warstwy ferromagnetyka pod wpływem pola magnetycznego. Następuje ono na skutek zwiększonego rozpraszania i wydłużenia drogi nośników ładunku. Dla słabych pól magnetycznych zmianę tę można opisać zależnością liniową [2]: ρ B =ρ 0 *(1+a*µ 2 H*B) (1) gdzie:ρ 0 rezystywność właściwa materiału nie poddanego działaniu pola magnetycznego, µ H ruchliwość Halla nośników ładunku, a współczynnik opisujący mechanizm rozpraszania, B - indukcja mierzonego pola magnetycznego.

4 Ćwiczenie Czujniki pól magnetycznych. Badanie czujnika W praktyce magnetorezystor wykonywany jest w formie meandra metodą naparowywania próżniowego i fotolitografii. Dzięki temu mogą być uzyskiwane znaczne zmiany rezystancji, a w rezultacie wysoka czułość przetwornika. Najczęściej stosowane przetworniki magnetorezystancyjne zawierają w swojej strukturze cztery magnetorezystory pracujące w układzie mostka Wheatstone a. Dodatkowo mają one wbudowany układ stabilnego wzmacniacza różnicowego. Dzięki temu możliwy jest pomiar pól magnetycznych w zakresie do 1 mt z typową rozdzielczością około 1 µt. Uproszczony schemat scalonego czujnika magnetorezystancyjnego przedstawiono na rysunku 2. W celu zwiększenia dokładności przetwarzania czujnika magnetorezystancyjnego, a w szczególności korekcji temperaturowego pełzania zera, często stosuje się kluczujące pole stabilizujące wytwarzane przez zewnętrzną cewkę. W nowoczesnych konstrukcjach cewka taka może być wbudowana w wewnętrzną strukturę przetwornika. Do zalet czujników magnetorezystancyjnych należą: szeroki zakres pomiarowy (1 µt do 100 mt), szeroki zakres częstotliwości pracy (od pól stałych do 1GHz), możliwość pracy w różnych temperaturach (od -70 C do 200 C) oraz małe wymiary. Ponieważ przetworniki tego typu wykonywane są na podłożu krzemowym można na jednej płytce wykonać czujnik i zoptymalizowany do pracy z nim wzmacniacz różnicowy. Wadą tego typu czujników jest konieczność stosowania dość złożonych układów elektronicznych, zwłaszcza przy dokładnych pomiarach z zastosowaniem cewek kluczujących. Ponadto przetworniki magnetorezystancyjne dużej dokładności, zawierające w swojej strukturze wzmacniacze lub cewki kompensacyjne są, dość drogie.

Czujniki pól magnetycznych. Badanie czujnika Ćwiczenie 5 Rys. 2. Schemat czujnika magnetorezystancyjnego. Czujniki magnetorezystancyjne są stosowane w nawigacji, jako głowice odczytowe dysków magnetycznych oraz w badaniach nieniszczących blach stalowych. Typowym przetwornikiem magnetorezystancyjnym pracującym w układzie pełnego mostka Wheatstone a jest układ KMZ10A produkowany przez firmę Philips Semiconductor. Nie zawiera on w swojej strukturze dodatkowych elementów, lecz mimo to ma wysoką czułość. Nowsze rozwiązanie to czujniki z serii HMC produkowane przez firmę Honeywell. Umożliwiają one pomiar indukcji pola magnetycznego w zakresie do 200 µt z maksymalną rozdzielczością około 10 nt. 2.2. Sensory magnetosprężyste do pomiaru sił ściskających W sensorach magnetosprężystych przyłożona siła wywołuje naprężenia w rdzeniu ferromagnetycznym, a w rezultacie wpływa na jego parametry magnetyczne. Z tego względu przetworniki magnetosprężyste nie wymagają stosowania pośredniego elementu sprężystego, co jest konieczne np. w tensometrycznych przetwornikach sił [3]. Ze względu na duże wartości względnych zmian indukcji magnetycznej pod wpływem naprężeń z sensorów magnetosprężystych można uzyskiwać sygnał użytkowy dogodny do dalszego przetwarzania. Kolejną zaletą sensorów magnetosprężystych jest prostota budowy oraz możliwość doboru zakresu mie-

6 Ćwiczenie Czujniki pól magnetycznych. Badanie czujnika rzonych sił poprzez zmianę wymiarów geometrycznych rdzenia ferromagnetycznego. Ponadto sensory takie, budowane na bazie niektórych nowoczesnych materiałów amorficznych mogą pracować w zakresie temperatur do 600 0 C czyli znacznie szerszym niż przetworniki tensometryczne. Budowę układu mechanicznego obciążania rdzenia magnetosprężystego w stosowanym praktycznie, pierścieniowego czujniku magnetosprężystym przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Układ mechanicznego obciążania rdzeni pierścieniowych w czujnikach magnetosprężystych (Patent P-345758). 1 podkładki bazowe, 2 cylindryczne nakładki z materiału niemagnetycznego, 2a nacięcia na uzwojenie, 3 obciążany rdzeń pierścieniowy Rdzeń pierścieniowy wykonany z materiału magnetycznie miękkiego umieszczony jest między dwiema niemagnetycznymi nakładkami. Nakładki umożliwiają uzwojenie rdzenia uzwojeniami magnesującym z m i pomiarowym z p, jak również wytworzenie w nim jednorodnego stanu naprężeń σ od przyłożonej, mierzonej siły ściskającej F. Ponieważ naprężenia σ w rdzeniu wytwarzane są w kierunku prostopadłym do pola magnesującego H, na właściwości magnetyczne rdzenia oddziałują odpowiadające im naprężenia efektywne σ eff dane zależnością [3]: σ eff = σ (cosϕ ν sinϕ) = ν σ (2) w którym ν - stała Poisona materiału, zaś ϕ - kąt między kierunkiem naprężeń σ i kierunkiem pola magnesującego H (w rozpatrywanym przypadku ϕ = 90 o ). Widok przetwornika magnetosprężystego zastosowanego przykładowo w badaniu procesu spalania w silniku lokomotywy spalinowej przedstawiono na rysunku 2.2. Przetwornik magnetosprężysty jest umieszczony pod nakrętką śruby (szpilki) silnika, co umożliwia detekcję zapłonu w komorze cylindra i monitorowanie pracy silnika w czasie rzeczywistym. Należy podkreślić, że w odróżnieniu od tradycyjnie stosowanych metod, zastosowanie czujnika ma-

Czujniki pól magnetycznych. Badanie czujnika Ćwiczenie 7 gnetosprężystego nie wymaga umieszczania specjalizowanego czujnika w komorze cylindra silnika, dzięki czemu zapewnia tani pomiar nieinwazyjny. Rys. 4. Przetwornik magnetosprężysty zastosowany w badaniu procesu spalania w silniku lokomotywy spalinowej: a) czujnik zamontowany pod nakrętką śruby szpilki, b) położenie czujnika w komorze silnika, c) lokomotywa na stanowisku testowym 3. Opis stanowiska 3.1. Badanie właściwości magneto-rezystancyjnego sensora pola magnetycznego HMC Schemat blokowy stanowiska przedstawiono na rysunku 5.

8 Ćwiczenie Czujniki pól magnetycznych. Badanie czujnika Prasa hydrauliczna Sensor magnetosprężysty Układ przetwarzania sygnału Kontrolny czujnik do pomiaru siły Woltomierz cyfrowy Rys 5. Schemat blokowy stanowiska do badania właściwości magneto-rezystancyjnego sensora pola magnetycznego HMC Stanowisko składa się z sensora HMC współpracującego z komputerem PC. Współpraca komputera z sensorem odbywa się z wykorzystaniem oprogramowania LABVIEW. Wzorcowe pole magnetyczne wytwarzane jest za pomocą cewek Helmholtza do których podłączono zasilacz prądowy firmy KEPCO. Pomiar prądu płynącego przez cewki Helmholtza realizowany jest za pomocą amperomierza uniwersalnego APPA 220. Wartość pola magnetycznego H w odległości x od środka układu cewek Helmholtza o promieniu r, odległych od siebie o a może być wyznaczona z zależności [4]: 3 3 2 nir 2 2 2 a 2 2 a 2 H = r + ( + x) + r + ( x) (3) 2 2 2 w którym n jest liczbą zwojów każdej z cewek, zaś I jest przepływającym przez nie prądem. Aby wytworzyć jednorodne pola magnetyczne odległość a między cewkami Helmholtza powinna być równa ich promieniowi r, zaś wartość stosunku wymiarów b i c przekrojów poprzecznych uzwojenia cewek powinna wynosić zależność (3) można sprowadzić do postaci: 31 [4]. Przy spełnieniu tych warunków 36 n H = 0, 7155 I (4) r

Czujniki pól magnetycznych. Badanie czujnika Ćwiczenie 9 W zastosowanych w stanowisku cewkach Helmholtza stała H wynosi 100 A/m / A 3.2. Badanie właściwości magnetosprężystych czujników do pomiaru siły ściskającej Schemat blokowy stanowiska do badania właściwości czujników magnetosprężystych przedstawiono na rysunku 6. Cewki Helmholtza Sensor magnetorezystancyjny Amperomierz APPA207 Komputer PC Źródło prądowe KEPCO BOP-36 Rys 6. Schemat blokowy stanowiska do badania właściwości czujników magnetosprężystych Sensor magnetosprężysty współpracuje z układem przetwarzania sygnału PMS-201C. Na wyjściu układu przetwarzania podawane jest napięcie proporcjonalne do wartości siły obciążającej sensor. Obciążenie sensora siłą ściskającą zadawane jest przez prasę hydrauliczną. 4. Wykonanie ćwiczenia Badania charakterystyki przetwarzania sensora magnetorezystancyjnego należy zrealizować w zakresie pola generowanego przez cewki Helmholtza do H max = 100 A/m. Pomiar należy zrealizować dla pola narastającego i malejącego (żeby wykryć ewentualną histerezę pomiarową). Powtarzalność pomiaru sensora należy zbadać dla pola H=75 A/m. Badania charakterystyki przetwarzania sensora magnetosprężystego realizuje się w zakresie obciążenia do 1 kn. Także i w tym przypadku pomiar należy zrealizować dla obciążenia narastającego i malejącego (żeby wykryć ewentualną histerezę pomiarową). 5. Opracowanie wyników pomiarów Analiza wyników pomiarów powinna obejmować: - charakterystyki przetwarzania sensorów,

10 Ćwiczenie Czujniki pól magnetycznych. Badanie czujnika - histerezę, - powtarzalność wskazań. 6. Treść sprawozdania W sprawozdaniu należy podać: - uproszczony schemat stanowisk pomiarowych, - protokóły pomiarów z wynikami obliczeń, - wnioski. 7. Przykładowe pytania na kolokwium wstępne - Proszę wymienić najczęściej stosowane rodzaje sensorów pola magnetycznego - Opisać zasadę pracy sensora magnetorezystancyjnego - Jak działają magnetosprężyste sensory siły - Jaki są główne zalety sensorów magnetosprężystych - Co to są cewki Helmholtza i do czego są stosowane

Czujniki pól magnetycznych. Badanie czujnika Ćwiczenie 11 Literatura: [1] Ripka P. Magnetic Sensors and Magnetometers, Artech, Boston, 2001. [2] S. Tumański Cienkowarstwowe czujniki magnetorezystancyjne Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1997. [3] Bieńkowski A., Szewczyk R. The possibility of utilizing the high permeability magnetic materials in construction of magnetoelastic stress and force sensors Sensors and Actuators A113 (2004) 270. [4] Nałęcz M., Jaworski J. Miernictwo magnetyczne WNT, Warszawa 1968.